杜牧的童年生活富裕而快樂。杜佑的樊川別墅在長安城南，其地有林亭之美，卉木幽邃，杜枚常在園中嬉戲。祖、父相繼去世後，他家日益貧困，"食野蒿藿，寒無夜燭"。穆宗長慶二年（822），杜牧20歲時，已經博通經史，尤專註於治亂與軍事。23歲寫《阿房宮賦》。文宗大和二年（828），26歲進土及第。同年又考中賢良方正直言極諫科。授弘文館校書郎、試左武衛兵曹參軍。冬季，入江西觀察使沈傳師幕，後隨其赴宣歙觀察使任，為幕僚。大和七年（833），淮南節度使牛僧孺辟為推官，轉掌書記，居揚州，頗好宴遊。大和九年，為監察禦史，分司東都。開成二年，入宣徽觀察使崔鄲幕，為團練判官。旋官左補闕、史館修撰、膳部比部員外郎。武宗會昌二年（842），出為黃州刺史。後任池州、睦州刺史。為政能興利除弊，關心人民。宣宗大中二年（848），得宰柏周墀之力，入為司勛員外郎、史館修撰，轉吏部員外郎。大中四年，出為湖州刺史。次年，被召入京為考功郎中、知制誥。第三年，遷中書舍人。歲暮卒於長安，終年五十歲。著有《樊川文集》。
杜牧生當唐王朝似欲中興實則無望的時代，面對內憂外患，他憂心如焚，渴望力挽狂瀾，濟世安民。他在《郡齋獨酌》裏說自己："豈為妻子計，未在山林藏。平生五色線，願補舜衣裳。弦歌教燕趙，蘭芷浴河湟。腥膻壹掃灑，兇狠皆披攘。生人但眠食，壽域富農商。"他主張削平藩鎮，收復邊疆。其"關西賤男子，誓肉虜杯羹"的氣概很像後來嶽飛的《滿江紅》。他在《燕將錄》裏褒揚譚忠，是因為他能勸說河北諸鎮不反抗朝廷。為了實現這些抱負，他主張讀書應留心"治亂興亡之跡，財賦甲兵之事；地形之險易遠近，古人之長短得失"（《上李中丞書》）。他強調知兵與否關系著國家的興亡："主兵者，聖賢材能多聞博識之士，則必樹立其國也；壯健擊刺不學之徒，則必敗亡其國也。然後信知為國家者兵最為大，非賢卿大夫不可堪任其事，茍有敗滅，真卿大夫之辱，信不虛也"（《註孫子序》）。為此，他寫了《原十六衛》、《罪言》、《戰論》、《守論》和《孫子註》。由於懷才不遇，他的願望不能實現，所以往往在生活上曠放不羈。這些都影響到他的創作。
杜牧多才多藝，工詩文，能書畫，前人甚至說"有唐壹代，詩文兼備者，惟韓、柳、小杜三家"（洪亮吉《北江詩話》卷三）。
杜牧的詩現存二百多首，眾體兼備，內容豐富，情調豪放爽朗，風格清新俊逸。他的近體詩，歷來受到人們的推崇，尤其七言絕句更是名篇叠出，膾炙人口，如《過華清宮絕句》、《赤壁》《題烏江亭》、《泊秦淮》、《江南春》、《寄揚州韓綽判官》、《山行》、《秋夕》等，歷代傳誦，家喻戶曉。他的七律《早雁》、《河湟》、《潤州二首》、《題宜州開元寺水閣，閣下宛溪，夾溪居人》、《宣州送裴坦判官往舒州，時牧欲赴官歸京》、《九日齊山登高》、《登九峰樓寄張祜》等篇也為人稱道。至於他的五絕、五律、五言排律，亦不乏佳什，如《長安秋望》、《秋晚早發新定》、《題揚州禪智寺》、《華清宮三十韻》、《昔事文皇帝三十二韻》等便是這些詩體的代表作。他的古體詩寫得也很好，尤其是五言古詩寫得非常出色，敘事議論，精采感人，如《杜秋娘詩》、《張好好詩》、《郡齋獨酌》、《感懷詩》等。
杜牧的詩歌，內容豐富，反映面廣。晚唐時期，藩鎮割據，宦官擅權，黨爭嚴重，社會動蕩。杜牧從小有著經邦濟世的抱負，但官場險惡、仕途坎坷，使他壯誌難酬，長時期的幕僚生活、不穩定的朝野升遷，使他感慨良多。杜牧的詩作就其內容題材而言，大致可分為以下幾類。
第壹類，關心世事，愛國憂民之作。此類為數不多。如他25歲時寫的《感懷詩》，通篇夾敘夾議，筆力雄健，慨嘆安史之亂以來藩鎮割據、急征暴斂造成的國弱民貧的深重災難，歌頌太宗李世民順應民心，以文德治天下的業跡，肯定憲宗李純武力削藩平叛之舉，希望朝廷勵精圖治、平息戰亂、實現安定統壹。同時也抒發了壯誌難酬的苦悶心情。詩中"夷狄日開張，黎元愈憔悴"等句，質樸簡潔，精警動人。又如《郡齋獨酌》、《河蝗》、《早雁》、《昔事文皇帝三十二韻》等。
第二類，品評歷史，借古諷今之詩。這是杜牧詩中最引人註目的篇什。此類詩大體又有兩種情況：壹是論史之作，以七絕為代表，如《赤壁》、《題烏江亭》、《題商山四皓廟》、《春申君》等。杜牧很註意研究國家治亂的經驗教訓和經濟、軍事問題，所以在詠史詩中往往有新穎獨特的評論。二是借古諷今之作。詩人針對晚唐朝廷的黑暗政治和腐朽沒落的社會現實，借歷史上盛衰興亡的經驗教訓加以諷喻。歷史人物吳王夫差、秦始皇、隋煬帝、陳後主，特別是本朝的唐玄宗，都是詩人筆下批判的對象。如《過勤政樓》、《過華清宮三絕句》等。
第三類、寫景抒懷，紀行詠物之作。此類數量不少，佳作叠出。如《登樂遊園》、《江南春》、《泊秦淮》《山行》、《清明》等。
第四類、以女性為題材的詩。如《題桃花夫人廟》和《月》詩，同情被楚王虜獲、終身不語的息夫人和被漢武帝遺棄、禁閉冷宮的陳皇後。在《金谷園》和《宮人家》中，他感嘆被逼跳樓的綠珠和身如囚犯的宮女。在長篇敘事詩《杜秋娘詩》和《張好好詩》中，他采用對比的手法具體寫出杜秋娘和張好好兩位女子今昔生活的坎坷變化，並從壹個側面反映了當時宮廷的鬥爭和社會的變化。
第五類，酬贈抒懷之作。如《寄揚州韓綽判官》等。
杜牧在《獻詩啟》中說："某苦心為詩，本求高絕，不務奇麗，不涉習俗，不今不古，處於中間。"他非常推崇李白、杜甫、韓愈、柳宗元："李杜泛浩浩，韓柳摩蒼蒼。近看四君子，與古爭強梁"（《冬至日寄小侄阿宜》）。杜牧才華橫溢，又善於吸取前人長處，形成了自己獨特的風格。洪亮吉說得好："杜牧之與韓、柳、元、白同時，而文不同韓、柳，詩不同於元、白，復能於四家外詩文皆別成壹家，可雲特立獨行之士矣"（見《北江詩話》）。
前人評價杜牧詩"俊爽"、"俊邁"、"氣俊思活"、"雄姿英發"、"情致豪邁"、"輕倩秀艷"、"豪而艷，宕而麗"等。李商隱曾寫詩極表對杜牧的關切和傾倒之意："高樓風雨感斯文，短翼差池不及群。刻意傷春復傷別，人間唯有杜司勛。"（《杜司勛》）。含蓄而準確地道出了杜牧詩歌那種把忱國憂民的壯懷偉抱與傷春傷別的綺思柔情交織在壹起的豪放爽朗、清新俊逸的藝術特征。
杜牧既善用比興手法，狀物抒情，又善用白描手法，直敘見聞；既長於舒徐宛轉地描述人物故事，更長於敏捷真切地捕捉景物的動態變化、自己的瞬間感受；既註意敘議結合，又註意情景交融；既常用對照手法，又巧以數字入詩。杜牧詩歌的語言風格既絢麗多采，又清新自然；既明麗爽俊，又含蓄委婉，既風流華美，又神韻疏朗。誠如全祖望所說"杜牧之才氣其唐長慶以後第壹人耶！"（《鮚綺亭集外編》）。